刮板輸送機變頻驅動控制系統優化設計應用

任廣玉

(西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

刮板輸送機是煤礦工作面上重要設備之一,承擔著運煤任務和為采煤機提供運行軌道以及為液壓支架提供推移支點，其工作性能對開采有著很大的影響，傳統的刮板輸送機驅動方式遠遠不能滿足如今的驅動要求，此前眾多學者對刮板輸送機的驅動裝置進行過一定的研究，但多是對驅動裝置工作性能進行研究，對系統的優化研究較少，因此筆者以屯蘭礦采用的SGZ880/800型刮板輸送機為研究背景，對刮板輸送機變頻驅動進行研究，為刮板輸送機變頻驅動控制系統優化改造提供參考[1]。

1 刮板輸送機變頻驅動設計

(1) 刮板機驅動簡介

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面的重要機電設備，主要由機頭、機尾、刮板鏈、刮板、中部槽等構成，在刮板輸送機的機頭及機尾部位安裝有控制器，用于機尾、機頭的電機控制。刮板輸送機機頭機尾驅動電機驅動鏈輪，使得刮板鏈條與鏈輪嚙合沿中部槽周轉運動，將采煤機截割的煤塊進行運送，直至到達井上。常見的刮板輸送機驅動方式主要有液力耦合器驅動、CST驅動及變頻驅動。變頻驅動是通過控制器控制變頻器的工作模式、目標轉速、轉矩、控制指令及驅動方向等參數，驅動電機按照設定的驅動曲線實現刮板輸送機帶載及空載啟動，且實現實時帶速的調整[2]。

(2) 變頻控制分析

交流三相異步電機的同步轉速表達式為：

n0=60f1/p

式中：f1為交流三相異步電機頻率，Hz；n0為交流三相異步電機的同步轉速，r/min；p為交流三相異步電機極對數，定值。

可以看出交流三相異步電機轉速與頻率為正相關，所以調節電機頻率可以達到調速的目的。交流三相異步電機的轉差率表達公式為：

s=(n0-n)/n0

式中：n為交流三相異步電機轉子的轉速，所以可以表示出交流三相異步電機轉子轉速為：n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p，可以看出交流三相異步電機的轉子轉速與轉差率、極對數及頻率有著很大的關系，而由于同一電動機的轉差率及極對數為定值，所以改變供電的頻率可以有效調節電動機轉子轉速[3]。

原有驅動方式下極遇到啟動困難，機械損耗嚴重等問題，在采用變頻驅動后可有效降低機頭、機尾的啟動電流，避免出現急起急停的問題，刮板輸送機啟動變頻控制模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機啟動變頻控制模型

由上圖所示，刮板輸送機的驅動電機的功率參數相同，將機頭電機1、2作為等效電機1。電機的機頭機尾分別由各自的變頻器進行控制，當 PLC控制器收集到機頭機尾的電流信號后，識別出刮板輸送機負載情況，從而達到分別控制效果。

(3) 變頻控制系統設計

變頻器驅動的實現主要依賴于PLC控制系統，所以對PLC控制系統的設計對于實現變頻驅動至關重要，文中選定DX-MA01控制器作為刮板輸送機啟動變頻驅動優化的核心部件，其具有高度集成、輸入輸出端口多、直接驅動開關閥、電壓比例閥等優點。DX-MA01控制器采用TC1796 32位處理器，采樣的頻率為150 MHz，控制器的內存為4Mbyte+80Kbyte，端口可根據實際需求進行擴展，本設計的部分I/O分配如表1所列。

表1 啟動過程變頻驅動優化方案I/O分配表

系統的電流傳感器選定為CSNR16I，CSNR16I電流傳感器能夠在井下多粉塵、潮濕及惡劣環境中使用，其擁有電流范圍廣、響應速度快及傳輸精度高的優點。速度傳感器選定為NJ4-12GM40-E，速度傳感器的工作電壓在DC24V±10%范圍內，工作的持續電流為200 mA，該傳感器為三線制電感傳感器[4]。圖2為變頻直接轉矩平衡控制圖。

圖2 變頻直接轉矩平衡控制圖

2 變頻控制系統分析及優化

(1) 系統分析

對SGZ880/800型刮板輸送機的變頻控制系統進行優化，刮板輸送機啟動過程的控制采用直接轉矩控制系統實現，控制系統如圖2所示。

電流i1和i2是刮板輸送機機頭及機尾的定子電流，能夠有效反映出機頭機尾的負載轉矩變化情況，通過負載轉矩與額定值的偏差來實現機頭機尾的轉速調節，從而達到機頭機尾電動機功率平衡。為了保證刮板輸送機啟動時能夠沿著給定速度曲線運動，對機頭機尾的電動機啟動順序及啟動時間進行精確控制，進一步改善機頭機尾啟動時電動機功率不平衡問題[5]。

(2) 優化分析

對優化設計后的空載及重載下機頭機尾功率差值及最大張力值進行統計，統計結果如表2、3所列。

表2 空載機頭機尾功率差值及最大張力值

表3 重載機頭機尾功率差值及最大張力值

可以看出，在剛啟動刮板輸送機時，此時的機頭機尾最大張力值與啟動時間有著很大的關系，同時調節啟動時間差可以降低機頭機尾的功率差，當啟動時間差為3 s時，此時機頭機尾電機功率差僅為0.440 2 kW，優化效果明顯。

在統計時間范圍內，隨著啟動時間差的增大，機頭的最大張力呈現減小的趨勢，而機尾的張力逐步增大，所以適當選定啟動時間差可以有效降低機頭機尾最大張力差值，本文選定啟動時間差10 s時機頭機尾最大張力差最小。同時在重載情況下，增大啟動時間差對機頭機尾功率差影響較大，當啟動時間差為8 s時，此時的機頭機尾功率差最小僅為4.09 kW，所以在重載條件下，增加機頭機尾的啟動時間能夠實現機頭機尾功率的平衡。

對刮板輸送機穩態過程中的變頻驅動進行優化設計，當刮板輸送機穩態運行時，此時的機頭機尾電動機功率協調控制圖如圖3所示。

圖3 機頭機尾電動機功率協調控制圖

如圖3所示，當機頭實際的運行轉矩為T1，機尾實際的運行轉矩為T2，此時可以得出機頭機尾的運行轉矩差值為Δ，當機頭機尾實際運行轉矩差值Δ>0時，此時代表機頭電機的運行轉矩較大，適當降低機頭電機轉矩，降低機頭電機轉速，以達到平衡機頭機尾轉矩。當機頭機尾實際運行轉矩差值Δ<0時，此時代表機尾的電動機轉矩偏大，適當降低機尾的負載轉矩，降低機尾電機轉速。

3 結 語

為提升刮板輸送機變頻驅動的安全性及穩定性，對刮板輸送機的變頻驅動進行優化分析，同時對空載、重載條件下，機頭機尾功率差值及最大張力值進行研究，發現節啟動時間差可以降低機頭機尾的功率差，當啟動時間差為3 s時，此時的機頭機尾電機功率差僅為0.440 2 kW，同時在重載條件下，增加機頭機尾的啟動時間能夠實現機頭機尾功率的平衡。驗證了優化方案的可行性，為刮板輸送機變頻驅動提供一定的參考依據。